www免费视频/www.kkbobo.com/黄色一级国产/久色

Septentrio產品伽利略衛星導航系統之現況更新

欄目：產品動態 發布時間：2020-11-01

                                    Septentrio伽利略衛星導航系統之現況更新

原創：李亞東，轉自：septentrio中國公眾號

1.png
        近些年衛星導航系統迅猛發展，BeiDou、GPS、GLONASS、Galileo等幾大系統日趨完善。隨著我國北斗三號全球衛星導航系統建成并正式開通，更是加速了衛星導航在各行業應用的落地。在民用GNSS產品應用中，通常不是單用北斗系統或者單用GPS系統，而是多系統同時接收、同時使用的混合定位，這樣雖然不能夠提高絕對的定位精度，卻可以減小遮擋、多徑等復雜環境下的位置漂移。以單GPS系統定位為例，通常開闊天空可以收到約12顆左右的GPS衛星，而在城市峽谷衛星數量會減少到5、6顆，這樣勢必會使得在開闊天空場景下2米左右的定位精度惡化到幾十米甚至上百米。如果同時使用四大GNSS系統，在北京市開闊區域5度仰角以上的衛星數大概在60顆左右，所以在半面天空遮擋情況下也有近30顆，更多的衛星意味著接收機可以把漂移從單GPS的幾十米減小到十幾米或者幾米。所以多個系統同時工作還是有很大的意義。對于RTK定位而言，多顆衛星也意味著可以更快速、更可靠的收斂。在國內大家對北斗、GPS都比較熟悉，相關的技術文章、測試、分析等資料也比較多，而對伽利略系統（Galileo）可能還是比較陌生，多數人認為還停留在Galileo沒有幾顆衛星、Galileo系統不穩定或者Galileo還不太可用的階段。而按照計劃，Galileo系統會在2020年完成組網，碰巧今年就是2020年，那么Galileo系統當前是什么狀態呢？


2.jpg


       首先按照習慣先介紹一下伽利略衛星導航系統，Galileo satellite navigation system是由歐盟研制和建立的全球衛星導航定位系統，簡稱Galileo。系統由軌道高度為23222km的30顆衛星組成（每個軌道標準平均半軸為29600km），起初計劃其中27顆工作星，3顆備份星，后調整為24顆工作衛星，6顆備份衛星。分布在3個傾角為56°的軌道平面內。（注：有些網絡資料沒及時更新，對伽利略系統的介紹還是說27顆工作星。）



      自2011年首顆試驗衛星開始，先后10次火箭發射將26顆衛星送入太空。E14,E18 兩顆衛星由于火箭發射失誤未進入正常軌道，后經過一系列變軌后播發GPS L5信號做在軌試驗。E20,E22兩顆衛星先后因在軌電源故障和原子鐘故障關閉。所以到目前為止伽利略系統共有在軌可用衛星22顆。據報道，ESA計劃在2020年12月使用俄羅斯聯盟號運載火箭Fregat-MT發射2顆Galileo衛星完成組網。



3.png
          Galileo衛星在L波段用三個頻率廣播導航信號：E1、E5和E6。其中以1575.42 MHz為中心的E1頻段提供三個信號分量，分別為E1-A、E1-B和E1-C。E1-A信號分量攜帶Galileo系統公共特許服務（PRS）。E1-B和E1-C組件分別構成Galileo E1 公開服務（OS）的數據分量和導頻分量。



4.png

E5信號中心頻率為1191.795 MHz，由E5a、E5b兩組獨立的信號組成。其中E5a中心頻率為1176.45 MHz，比E5載波頻率低15.345 MHz。E5b中心頻率為1207.14 MHz，比E5載波頻率高15.345 MHz。E5a和E5b即可以當作E5頻段內兩個不同載波頻率的獨立信號跟蹤處理，又可以合成一個寬帶信號來處理。E5使用AltBOC調制，帶寬為51.15 MHz，具有更好的多徑抑制效果和Gabor帶寬。

      E6信號中心頻點為1278.75 MHz，包括E6-A、E6-B和E6-C三個信號分量。與E1頻點類似， E6-A分量是Galileo 系統公共特許服務（PRS）。E6-B和E6-C分別是Galileo 商業服務（CS）的數據分量和導頻分量。

各信號對應的載波頻率和參考帶寬如下：


5.png



詳細內容請參Galileo公開服務空間接口控制文件。

我們總結下來：Galileo系統由24顆工作衛星、6顆備份衛星組成。目前在網運行22顆。還差2顆完成工作衛星組網，計劃今年12月補齊。

   問題來了，Galileo系統組網大體都完成了，可以正常工作嗎？性能如何呢？iGMAS專家說：“一般來說專業機構評估某個系統可用性會評估URE、空間信號可用性、空間信號連續性、廣播電離層精度、定位精度、定位可用性、PDOP可用性等。” 當然這也需要更多的參考接收機以及更長的觀測時間。關于幾大系統的星座狀況可以訪問iGMAS官網http://www.igmas.org/ 。而對于終端用戶而言難以將這些參數與自己應用相對應，終端用戶更關心不同工作模式下的定位精度和定位可用性。下面就和大家分享一下Galileo系統在國內的性能測試情況。



本次測試終端使用比利時Septentrio公司的全系統、全頻點、100Hz、抗干擾模組mosaic-X5。一方面mosaic模組作為市場上成熟的量產終端產品契合客戶的真實應用場景，另一方面作為Galileo系統地面段GNSS接收機設備的唯一供應商，Septentrio把系統段的技術和性能擴展到了包括mosaic在內的用戶段終端產品。為此我們有理由相信mosaic-X5可以如實的展現Galileo系統的性能。

6.png



其他測試設備，DUTs天線使用中海達全系統全頻點天線AT-35101，在此也特別感謝中海達的天線贊助。參考站使用Septentrio參考站接收機PolaRx5e，參考站天線選用Septentrio PolaNt-x MF。



本次測試包括三個場景：
1. Galileo Only VS. GPS Only單點定位。既然在國內測試為什么選擇GPS做對比而沒有選擇北斗？本次測試的試驗分別在3月、4月和7月，當時北斗系統還未組網完成，故而選則GPS做對比參考。   


2. 10km，20km，30km的靜態實時RTK測試，Galileo Only RTK VS. GPS Only RTK。

3.實時RTK動態跑車性能，Galileo Only RTK VS. GPS Only RTK。




1.Galileo Only VS. GPS Only單點定位
環境搭建：樓頂天線，天線位置已知。連續工作24小時，保存LOG后做數據分析。


首先用數據質量分析工具Anubis和BKG對GPS系統和Galileo系統進行簡單質量分析：

7.png


通過上圖系統可用頻段可以直觀看到GPS系統60%的衛星是雙頻，40%的衛星是三頻。Galileo系統全部衛星都是四頻。


8.png


載噪比方面，L1/E1頻點GPS和Galileo比較接近，L2/E5b頻點伽利略更好一點。因為不是所有的GPS衛星都支持L2C，而L2P(Y)的載噪比要低一些，尤其是低仰角部分更為明顯。

9.png



仰角和衛星數方面，圖先放這，后面遇到了問題再分析。
10.png



通過Anubis軟件計算的單點定位性能和多路徑可看出Galileo系統性能比GPS好，這得益于其高性能的星載原子鐘。




mosaic實測的單Galileo及單GPS單點定位結果如下：

上圖中綠色軌跡為GPS SPP，紫色為Galileo SPP，明顯的看出Galileo的單點精度好于GPS。由于知道樓頂天線位置，所以可以計算水平、高程和三維的瞬態誤差，測試用同時使用了四系統的單點結果作為參考，詳情如下：
從上面mosaic測試結果來看，開闊天空場景Galileo三頻單點定位24小時水平精度（100%定位點）達到了0.5m，高程精度0.8m。


5°仰角以上可用衛星數來看， GPS衛星數24小時均值9.73顆，Galileo為7.33顆。而從中國區域可見的最小衛星數來看，GPS最少7顆可用，并且90%時間有8顆以上大于5°仰角的衛星。反觀Galileo系統最少5顆可用，有40%左右的時間僅有5、6顆大于5°仰角的衛星。所以從系統可用性的角度，GPS更好。當然，如前文所述，客戶通常會選用多系統同時接收、混合定位，這也不會是很大問題。




2. 10km、20km、30km靜態實時RTK測試



測試是個苦差事，為了選擇開闊天空GNSS測試工程師通常都工作在荒郊野嶺（Feng Jing You Mei）的地方。有圖有真相。


環境搭建：如上圖，被測終端分別在距離PolaRx5e參考站10KM、20KM、30KM的位置，天線盡量遠離遮擋并用三腳架支起避免地面反射。因為野外沒有真值點，所以按照科班做法使用四系統RTK，做十次初始化，每次觀測50個歷元的固定解定位結果取平均，再將10次結果平均，當做真值的估值。流動站方面，三個mosaic模組分別工作在GPS Only RTK，Galileo Only RTK，BeiDou+GPS+GLONASS+GLONASS四系統RTK模式。本次測試并未按照測繪常規進行多次初始化，而是進行單次初始化長時間采樣的方式，采樣率1Hz，采樣時間1小時。



我做了很多的數據分析表格，但因篇幅有限，直接上定位結果和內符合、外符合精度分析結果：

通過上述分析結果可以看出GPS和Galileo單系統RTK基本上可以滿足水平精度1cm+1ppm高程精度1.5cm+1ppm的業界通用標稱。10KM和30KM情況下，Galileo RTK Only精度略好于GPS RTK Only。20KM情況下，Galileo性能比GPS差。單分析Galileo系統瞬態精度，高程誤差相對正常，隨著Base和Rover距離變大而相應變化，但水平位置誤差比30KM還差。如下圖所示：

為了確認此問題，第二天在同樣的時間點又做了一次測試，現象基本一致。期初我懷疑可能是20KM測試時段衛星數比較少或者DOP值差造成的。以此假設做了如下分析：



分析發現20KM情況下，參與RTK解算的衛星數（平均值）比30KM情況下的衛星數還多2顆。還記得上面講到仰角和衛星數的時候我們說后面遇到問題再分析嗎？現在問題來了，衛星數分析完了，是時候考慮仰角。起初配置時，為了照顧還未完成組網的Galileo系統的RTK固定率，我把仰角設置成了5°，而在20KM測試時間段，雖然衛星數多，但幾顆衛星在5°~20°仰角內進進出出。所以上述問題主要是低仰角衛星造成的。





在上面測試中，10KM、20KM 測試場景中Galileo Only RTK固定率為100%。在30KM場景下，因為彼時段衛星數較小加之基線距離較長，其固定率為95%左右。GPS在三個場景下的RTK固定率均為100%。

有人或許會問，Galileo only RTK 24小時工作會是啥樣？可以一直RTK Fix嗎？答案是：短基線距離+開闊天空，可以！


3.實時RTK動態跑車實驗。
搭建：天線放在車頂，在Base與Rover距離小于10KM的六環路和京藏高速上飛奔。

四系統RTK的定位軌跡如下：

由于沒有搭建慣性后處理真值系統，加上前面靜止場景我們已經進行了精度分析，所以跑車實驗不做詳細的精度分析。而且因為mosaic算法設計選擇了可靠RTK Fix的策略，RTK 固定解基本可以代表厘米級精度，所以這里我們只統計RTK 固定率。前面“油條”圖放的太多，跑車實驗我們來以“餅”圖收場吧。四系統RTK固定位在93.2%左右，單GPS RTK固定率為77.5%，單Galileo  RTK固定率為71.9%。GPS的固定率比Galileo好5.6個百分點。


結論：

通過上述簡單實驗結果，相信大家會對Galileo系統有了新的認識。我本人認為Galileo系統目前基本可用，并且精度較好。雖然Galileo系統可用性暫時還不如GPS系統，但就GNSS行業發展到現在，多系統、多頻點解決方案的普及的當下， Galileo系統應該被更多的支持和使用。原因有三：第一，針對目前對可靠性和精度要求高的雙頻RTK或者三頻RTK來說，E5b及E5a的加入會增加更多的衛星。這對于那些因使用沒有播發RTCM 1230消息的商用網絡RTK服務而放棄GLONASS系統的接收機來說更為重要。第二，針對L1+L5的雙頻應用來說，因為GPS系統僅有一小部分衛星播發L5信號，所以BeiDou和Galileo系統是絕對的主力系統。而在B2a的RTCM協議正式發布前，此類應用目前還主要依靠Galileo系統。第三，因為E5a信號播發星歷數據加上較高的碼速率對多徑的抑制作用，使得如穿戴式等對功耗極其敏感的應用可以完全放棄L1頻點而使用單L5接收機，對于這樣的設計來說Galileo系統是當仁不讓的主系統，其代替了傳統L1頻點接收機GPS為主系統的地位。終上，讓我們期待Galileo早日組網成功，攜手BeiDou、GPS、GLONASS為我們的生產生活做出更大的貢獻。